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渦輪流量傳感器的結構 |
渦輪流量傳感器的結構
渦輪流量傳感器的結構主要由儀表殼體、導流器、葉輪(渦輪)、軸承和信號檢測放大器等組成。
1.儀表殼體
儀表殼體一般采用不導磁的不銹鋼或硬質合金制成,對于大口徑傳感器亦可用碳鋼與不銹鋼組合的鑲嵌結構。殼體是傳感器的主體部件,它起到承受被測流體的壓力,固定安裝檢測部件,連接管道的作用。殼體內裝有導流器、葉輪、軸、軸承,殼體外壁安裝有信號檢測放大器。
2.導流器
導流器通常也選用不導磁不銹鋼或硬鋁材料制成,安裝在傳感器進出口處,對流體其導向整流以及支承葉輪的作用,避免意外擾動對葉輪的影響。
3.渦輪
亦稱葉輪,一般有高導磁材料制成,是傳感器的檢測部件。它的作用是把流體動能轉換成機械能。葉輪有直板葉片、螺旋葉片和丁字形葉片等幾種,亦可用嵌有許多導磁體的多孔護罩環來增加有一定數量葉片渦輪旋轉的頻率。葉輪由支架中軸承支承,與殼體同軸,其葉片數視口徑大小而定。葉輪幾何形狀及尺寸對傳感器性能有較大的影響,要根據流體性質、流量范圍、使用要求等設計,葉輪的動態平衡非常重要。直接影響儀表的性能和使用壽命。
葉輪結構參數設計應合理,包括葉片傾角、葉片的頂端與外殼內壁的間隙、葉片根徑和頂徑的流通截面、葉片重疊度以及葉片的數量等設計。這些參數直接影響流量計的特性。選擇得合理就可以提高流量計的測量范圍、準確度,延長其使用年限。根徑理論分析和大量的試驗,比較合理的結構參數如下:
葉片傾角θ:對氣體為10°~15°;對液體30°~45°,見圖3-2,渦輪進出口速度三角形。
葉片重疊度p:0.9~1.2(重疊度p表示軸線長度上兩相鄰葉片相互重疊的程度)。
葉片頂端至外殼的間隙δ:當D≤10mm時,δ=(0.05~0.07)D;當10mm<D≤80mm時,δ=(0.01~0.015)D;當D≥80mm時,δ=0.01D。
葉片數N:可按照對輸出信號的頻率要求以及加工制造的可能性來考慮。葉片數應根據流量計口徑大小不同而異:小口徑(D≤100mm)為3~8片嗎,大口徑(D>100mm)一般為10片以上。
4.軸與軸承
通常選用不銹鋼或硬質合金制作,它們組成一對運動副,支承和保證葉輪自由旋轉。它需有足夠的剛度、強度和硬度、耐磨性、耐腐性等。它決定著傳感器的可靠性和使用壽命。傳感器失效通常是由軸與軸承引起的,因此它的結構與材料的選用以及維護是重要問題。
在設計時應考慮軸向推力的平衡,流體作用于葉輪上的力使葉輪轉動,同時也給葉輪一個軸向力,是軸承的摩擦轉矩增大。為了抵消這一軸向力,在結構上采取各種軸向推力平衡措施。另外,軸承磨損要小。這是提高測量準確度、延長儀表壽命的重要環節。滾動軸承雖然摩擦力矩很小,但對臟污流體及腐蝕性流體的適應性較差,壽命不長。因此,目前仍廣泛應用滑動軸承(空心套形軸承)。滑動軸承的軸與軸承間的摩擦轉矩與葉輪的重量及軸的直徑成正比,因此在機械強度允許的情況下,應盡可能把軸做細,使葉輪的重量減輕。合理選擇軸與軸承的材質及兩者的配合間隙也是很重要的,目前常采用的材料是耐磨性好的碳化鎢硬質合金材料;軸承也可用寶石、塑料或石墨等材料。為減少石墨軸承的磨損,常常在不銹鋼表面鍍以硬鉻并進行精磨,其表面粗糙度為0.8~0.2.為了徹底解決軸承磨損問題,我國目前生產的無軸承的渦輪流量變送器。
5.信號檢測放大器
國內常用信號檢測放大器一般采用變磁阻式,它由永久磁鋼、導磁棒(鐵芯)、線圈等組成。它的作用是把渦輪的機械傳動信號轉換成電泳信號輸出。由于永久磁鋼對高導磁材料制成的葉片有吸引力而產生磁阻力矩,對于小口徑傳感器在小流量時,磁阻力矩在諸阻力矩中成為主要項,為此將永久磁鋼分為大小兩種規格,小口徑配小規格以降低磁阻力矩。一般來說,線圈感應得到的信號較小,需配上前置放大器放大、整形,輸出幅值較大的電脈沖信號。線圈輸出信號有效值在10mV以上的,也可直接采用流量計算機。
圖3-2為常用的兩種前置放大器電器原理圖。圖a采用穩流二極管作為負載,采用復合管射極輸出形式;圖b采用負反饋電路以提高儀表的穩定性。它們都具有溫度穩定性好,放大系數高,負載能力強等特點.
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